TW201841197A - 電漿處理裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種電漿處理裝置，電漿處理裝置包括一個反應腔和反應腔內的上下電極，一個射頻電源通過一根射頻電纜連接並輸出基波射頻功率到下電極，使得上下電極之間產生電容耦合電場，並產生電漿，下電極上方設置有一個靜電夾盤，靜電夾盤用於固定待處理基片，利用電漿對基片進行處理，反應腔底壁下方包括一電接地的屏蔽板，屏蔽板圍繞射頻電纜，一介電材料環設置於射頻電纜與屏蔽板之間。

Description

電漿處理裝置

本發明有關於半導體加工技術領域，具體有關於一種電漿處理裝置，在電漿反應腔下方具有一個介質環以減少諧波射頻功率的干擾。

電漿處理裝置被廣泛應用於半導體晶圓加工處理流程中，如第1圖所示為典型的電漿處理裝置結構圖。電漿處理裝置包括可以抽真空的反應腔30，反應腔包括頂蓋和側壁30a以及底壁30b，更包括從底壁向下延伸的屏蔽板30c，整個反應腔都由金屬製成且接地，實現對射頻電磁場的屏蔽。反應腔內底部包括基座用於支撐待處理的晶圓，基座內包括下電極10，下電極10上方更包括一個靜電夾盤，通過靜電夾盤固定待處理晶圓。與基座相對的反應腔上方包括上電極20，上電極20中更整合了反應氣體進氣裝置，用於均勻輸入反應氣體到下方的晶圓。至少一個射頻電源通過匹配器和一根射頻電纜連接到下電極10。通常為了點燃並維持電漿濃度需要射頻電源52輸入高頻（大於13MHz）射頻功率到下電極10，為了控制入射到基片上表面的離子能量更需要通過射頻電源54輸入低頻射頻（小於等於2Mhz）功率到下電極10。所以射頻電纜上同時有高頻和低頻兩種射頻功率通過，最終流入下電極10。 對於如第1圖所示的電容耦合型電漿處理裝置（CCP）來說，上電極20和下電極10之間存在等效的一個電容C1，同時射頻電纜本身具有寄生電感L0，射頻電纜與屏蔽板30c之間也存在電容耦合，所以也存在等效電容C2。這些電容和電感的參數共同決定了從匹配器輸出端到反應腔各個電極和反應腔各個側壁的電場分佈以及整個反應腔的頻率特性。

習知技術中射頻電源52輸出的射頻頻率一般是30MHz或者60Mhz，下面以60MHz為例來說明習知技術存在的問題。當60MHz高功率射頻功率被送入反應腔內下電極時，由於上下電極之間的阻抗是電漿，電漿的阻抗是會隨著氣壓、電漿濃度和分佈變化等因素瞬間突變的，屬非線性阻抗，所以加載到上下電極之間的60MHz射頻功率會產生大量的諧波，其中二次諧波也就是120MHz的諧波成分最大，其功率占反應腔內射頻總功率的10-30%，對反應腔內電漿處理效果的干擾也最大。習知技術無法有效去除這些諧波的干擾，所以也很難獲得均勻的電漿處理效果。

所以業內需要開發一種新的裝置既能夠實現基波頻率（2MHz、60MHz）的順利流向上下電極之間的電漿處理空間，同時要將產生的二次諧波分離並流入接地端。

本發明公開一種電漿處理裝置，電漿處理裝置包括反應腔，反應腔是由側壁和底壁圍繞構成的氣密腔體，反應腔內包括一個上電極和一個下電極，一個射頻電源通過一根射頻電纜連接並輸出基波射頻功率到下電極，使得上下電極之間產生電容耦合電場並產生電漿，下電極上方設置有一個靜電夾盤，靜電夾盤用於固定待處理基片，利用電漿對基片進行處理，其特徵在於，反應腔底壁下方包括一電接地的屏蔽板，屏蔽板圍繞射頻電纜，一介電材料環設置於射頻電纜與屏蔽板之間。通過設置介電環來改變射頻電纜到屏蔽板之間的電容值，使得射頻電源輸出的基波射頻功率流入反應腔，同時反應腔內產生的諧波射頻功率穿過介電材料環進入接地的屏蔽板。

其中介電材料環可上下移動，以調節射頻電纜到屏蔽板之間的電容值。屏蔽板包括一下端面，介電材料環的上端高於屏蔽板的下端面。介電材料環可以包括一個空腔，空腔內填充有液面高度可調的介電液，通過調節液位高度來調節射頻電纜到屏蔽板之間的電容值。

介電材料環的介電材料的相對介電常數大於1.1，最佳的介電材料的介電常數大於1.5，越大的介電常數可以更大幅度的改變電容值，調節幅度越大。介電材料環可以選擇由特氟龍或者陶瓷材料製成。

進一步的，介電材料環包括第一子介電材料環和第二子介電材料環，第一子介電材料環可以相對第二子介電材料環上下移動。或者介電材料環在不同方位角上具有不同厚度，使得射頻電纜到不同方位角具有不同的等效電容，這樣可以進一步補償方位角上的射頻電場分佈不均勻性。

以下結合第2圖，進一步說明本發明的實施例。

本發明公開了一種具有可調頻率特性的電漿處理裝置，電漿處理裝置內基本的硬件結構與第1圖所示的習知技術相同，均包含有電漿反應腔，在進行電漿刻蝕時，向電漿反應腔提供反應氣體，在電漿反應腔中設有對應的上電極20和下電極10，用於激發反應氣體從而產生電漿，使製程過程中電漿反應腔內部充滿有電漿（plasma）。其主要區別在於本發明在底壁30b之下屏蔽板30c之內，圍繞射頻電纜電纜的空間內設置了一個介電環40。習知技術沒有這個環，所以射頻電纜周圍都是大氣環境，大氣的介電常數接近真空環境，也就是相對介電常數非常接近是1。所以射頻電纜到屏蔽板30c之間的等效電容C2是個常數，因此整個反應腔也具有恒定的頻率特性。由於大量射頻諧波的存在，習知反應腔為了保證基頻有效傳導設計的頻率特性無法兼顧導走這些諧波功率。由於這些諧波功率在反應腔內的干擾，所以基片上的電漿分佈存在很大的不均勻性。本發明中的介電環40可以由相對介電常數大於1的材料製成，比如特氟龍、氧化鋁、氮化鋁等，這樣設置在圍繞射頻電纜的空間內能夠顯著增大等效電容C2的值。介電環40可以是一個中心帶通孔的圓柱體，中心通孔使得射頻電纜能夠穿過該通孔。通過機械驅動部件可以使得介電環40上下移動，其中介電環40具有一個上端面a和下端面c，其中只有在屏蔽板30c的下端面（第2圖中b線）上方的介電環部分才會對等效電容C2造成影響，以下部分沒有影響。所以通過驅動介電環40的上下移動，可以使得等效電容C2從最小的初始值逐漸增加到最大。其中介電環40圍繞的射頻電纜具有第二電感L2，頂部未被介電環圍繞的部分具有第一電感L1。所以本發明最後的等效電路為如第3圖所示，包括了L2、L1、C1和可變電容C2。由於C2容值可以調節，所以可以調節第3圖所示等效電路的頻率特性。根據需要可以使得2MHz、60MHz等基頻順利的流向C1回到接地端，而高頻的諧波功率從C2直接被導到接地端，避免諧波對電場分佈的干擾。

如第3圖所示為頻率與阻抗的曲線，其中頻率特性曲線91為等效電容C2在具有初始值也就是習知技術中不添加介電環40時的特性曲線，頻率特性曲線93是電容C2具有較大值時的頻率特性曲線。從第3圖中可以看到在對於2MHz和60MHz的射頻訊號，C2變化前後兩者的阻抗完全一樣，同時對於120MHz的諧波訊號原始阻抗高達758.8歐姆，電容C2增加後阻抗變小為206.6歐姆。這還只是示例性的增加C2，實際上通過選擇具有更高介電常數，填充更多介電材料等手段可以進一步提高等效電容C2的值，也就是對於120MHz的阻抗可以進一步大幅降低到100歐姆以下。所以反應腔內產生的諧波能夠被順利的導走減小對正常基波的干擾，電漿處理裝置也就能獲得均勻的電漿分佈。如第5圖是採用本發明介電環的電漿處理裝置內不同位置處刻蝕速率曲線，其中曲線101是C2為初始值時的刻蝕速率曲線，曲線103是介電環上升進入屏蔽板內部空間時的曲線。從中可明顯看到，曲線103相比101不僅刻蝕均勻性明顯改善，不同區域內刻蝕速率波動幅度小，而且整體的刻蝕速率也有提升。

本發明介電環40除了可以是第2圖所示的上下升降的一個圓柱體，也可以是兩個或更多個圓柱體位於屏蔽板30c內部空間。如第6a、6b圖是第二實施例在第2圖所示虛線框X內的放大圖，可以看到介電環40包括兩個上下疊放的介電環40a’、40b’，其中第6a圖是兩個介電環40a’、40b’緊貼在一起的狀態，第6b圖是兩個介電環互相分離的狀態。兩個介電環40a’、40b’在不同位置對應產生不同的等效電路以及不同的等效電感、電容空間分佈，如第6b圖中介電環40a’上方的射頻電纜具有電感L1，介電環40a’、40b’之間的射頻電纜部分具有電感L3，介電環40b’下方的電感為L2。這樣射頻電纜到屏蔽板30c整體的等效電容會發生變化，所以也能夠實現對等效電容的調節。

本發明更可以通過其它實施例實現對射頻電纜到屏蔽板30c之間的等效電容的調節，比如介電環40是介電材料製成的中空殼體，殼體裡面可以填充介電係數大於1的液體，通過控制液面的高低就能調節射頻電纜到屏蔽板的介電物質多少，從而改變等效電容C2。

本發明中的介電環除了可以是圓柱形的也可以選擇不對稱的結構，如第7圖所示，介電環40’’的頂視圖是一側帶有缺口的，這樣整體的等效電容C2會比圓柱形介電環小，而且射頻功率流過的路徑也不是均勻的，更多的諧波射頻功率會流過圖中介電環40”中更厚處，較少的諧波射頻功率會流過介質環較薄處，也就是圖中右側。所以這種結構更能一定程度上補充上方電漿反應腔中不同方位上的電場分佈不均勻性，最終獲得均一的處理效果。上述詳細描述的多個實施例，均需要在射頻電纜和接地的屏蔽板30c之間設置一個介電材料環，使得等效電容C2足夠大，最終使得基波頻率的射頻功率能夠進入反應腔，而反應腔內產生的諧波射頻功率中的大部分（大於50%）能夠很快的經過射頻電纜-介電環-屏蔽板的通路流走。其中介電環所佔據的射頻電纜與屏蔽板之間的體積的大小、位置高低、介電材料選擇都可以根據實際反應腔的具體參數相應選擇，只要設置了具有較高相對介電常數（大於1.1，最佳的大於1.5）的介電環，而且介電環材料層的厚度大於等於從射頻電纜到屏蔽板之間距離的30%均能形成足夠的介電層，使得等效電容C2足夠起導流諧波功率的作用。

儘管本發明的內容已經通過上述較佳實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域具通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。

10‧‧‧下電極

20‧‧‧上電極

30a‧‧‧側壁

30b‧‧‧底壁

30c‧‧‧屏蔽板

40、40’、40’’、40a’、40b’‧‧‧介電環

第1圖為習知技術電漿處理裝置示意圖。 第2圖為本發明電漿處理裝置示意圖。 第3圖是本發明電漿處理裝置中不同頻率射頻功率流動方向示意圖。 第4圖是本發明電漿處理裝置與習知技術的阻抗頻率特性對比。 第5圖是本發明電漿處理裝置與習知技術在不同部位的刻蝕速率對比。 第6a、6b圖是本發明電漿處理裝置第二實施例在第2圖所示虛線框X內的放大圖。 第7圖是本發明介質環的另一個實施例頂視圖。

Claims (10)

1. 一種電漿處理裝置，該電漿處理裝置包括反應腔，反應腔是由頂蓋、側壁和底壁圍繞構成的氣密腔體，反應腔內包括一個上電極和一個下電極，一個射頻電源通過一根射頻電纜連接並輸出基波射頻功率到該下電極，使得該上電極及該下電極之間產生電容耦合電場並產生電漿，該下電極上方設置有一個靜電夾盤，該靜電夾盤用於固定待處理基片，利用該電漿對基片進行處理，其特徵在於，該反應腔底壁下方包括一電接地的屏蔽板，該屏蔽板圍繞該射頻電纜，一介電材料環設置於射頻電纜與屏蔽板之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電漿處理裝置，其中該介電材料環係上下移動。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電漿處理裝置，其中該屏蔽板包括一下端面，該介電材料環的上端高於該屏蔽板的下端面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電漿處理裝置，其中該介電材料環包括一個空腔，空腔內填充有液面高度可調的介電液。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電漿處理裝置，其中該介電材料環的介電材料的相對介電常數大於1.1。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電漿處理裝置，其中該介電材料環的介電材料的介電常數大於1.5。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電漿處理裝置，其中該介電材料環由特氟龍或者陶瓷材料製成。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電漿處理裝置，其中該介電材料環包括第一子介電材料環和第二子介電材料環，該第一子介電材料環係相對第二子介電材料環上下移動。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電漿處理裝置，其中該介電材料環在不同方位角上具有不同厚度，使得該射頻電纜到不同方位角具有不同的等效電容。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電漿處理裝置，其中該介電材料環使得射頻電源輸出的基波射頻功率流入反應腔，同時反應腔內產生的諧波射頻功率穿過該介電材料環進入接地的屏蔽板。